Antriebseinheit für einen Heliostaten

Abstract

 Antriebseinheiten für Heliostaten weisen zumeist eine der Azimutachse zugeordnete Azimutwelle (1) und eine zu dieser senkrecht orientierte, der Elevationsachse zugeordnete Elevationswelle (2) auf. Dabei ist die Spiegelanordnung eines Heliostaten mittels seiner Antriebseinheit schwenkbar auf seiner feststehenden Säule gelagert. Um die Schwenkbewegungen möglichst spielfrei durchführen zu können, ist vorgesehen, Azimutwelle 1 und Elevationswelle 2 je von einem eigenen, spieleinstellbaren, selbsthemmenden, aus Schneckenrad 3 bzw. 5 und Schneckenwelle 4 bzw. 6 bestehenden Schneckenradsatz antreiben zu lassen. Die Schneckenräder sollen koaxial zu der jeweiligen Welle angeordnet sowie fest mit ihr verbunden und die Schneckenwellen jeweils axial verschiebbar und axial arretierbar sein.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für einen Heliostaten, der aus einer feststehenden Säule sowie einer auf dieser mittels der Antriebseinheit schwenkbar gelagerten Spiegel-- anordnung besteht. Die Antriebseinheit weist eine der Azimutachse zugeordnete Azimutwelle und eine zu dieser senkrecht orientierte, der Elevationsachse zugeordnete Elevationswelle auf.

[0002] Heliostaten sind in großer Zahl in Heliostatenfeldern angeordnet und dienen dazu, solare Strahlungsenergie auf einen gemeinsamen Strahlungsempfänger zu konzentrieren. Dieser ist gewöhnlich auf einem Turm angeordnet und wird von einem aufheizbaren flüssigen oder gasförmigen Medium durchströmt. Die einzelnen Heliostaten müssen dem sich kontinuierlich verändernden Sonnenstand möglichst exakt nachgeführt werden können. Dazu dienen Antriebseinheiten, die auf der feststehenden, tragenden Säule des Heliostaten angebracht sind und mit deren Hilfe die Spiegelanordnungen um zwei Achsen, nämlich die Azimut- und die Elevationsachse, geschwenkt werden können. Aufgrund der relativ langsamen scheinbaren Sonnenbewegung werden nur kleine Winkelgeschwindigkeiten benötigt. Der Antrieb ist daher im allgemeinen mehrstufig ausgelegt, wobei dem primären Antriebsmotor eine stark untersetzende Getriebestufe nachgeschaltet ist.

[0003] Eine solche Antriebseinheit für einen Heliostaten muß bestimmte Anforderungen erfüllen. Um eine jederzeit exakte räumliche Ausrichtung der Spiegelanordnung zu gewährleisten, muß der Antrieb so spielfrei wie möglich und außerdem selbsthemmend ausgeführt sein. Dies ist vor allem dadurch bedingt, daß die Heliostaten am Aufstellungsort wechselnden Windbelastungen ausgesetzt sein können. Wäre keine Spielfreiheit vorhanden, so würden die Spiegelanordnungen in dem durch das Spiel gegebenen Ausmaß unter der wechselnden Windbelastung hin- und herschwanken. Ebenso muß Selbsthemmung gegeben sein, da die Spiegel weder unter Windbelastung noch - für den Fall unsymmetrischer Gewichtsverteilung - unter dem Einfluß des eigenen Gewichts aus einer einmal angesteuerten Stellung zurückdrehbar sein dürfen. Die exakte Nachführbarkeit der Spiegelanordnungen verlangt insbesondere auch, daß das Umkehrspiel so gering wie möglich gehalten wird, da die Richtungsumkehr - beispielsweise bezüglich der Elevationsachse - mit der erforderlichen Exaktheit durchführbar sein muß.

[0004] Bisher wurden als Heliostatantriebe beispielsweise aufwendige Spindelantriebe verwendet. Weiterhin kamen spielarme Stirnradsätze zum Einsatz, die insbesondere zur Erzielung eines minimalen Umkehrspieles sehr genau gefertigt sein müssen. Da Heliostatenfelder in Zukunft voraussichtlich verstärkt zum Einsatz kommen werden, besteht ersichtlich ein Bedürfnis, die bisher bekannten Heliostatantriebe hinsichtlich der Funktionstüchtigkeit, der Stabilität und der Wirtschaftlichkeit weiter zu verbessern.

[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Antriebseinheit der eingangs genannten Art bereitzustellen, die technische Einfachheit und Wirtschaftlichkeit im konstruktiven Aufbau mit hoher Funktionstüchtigkeit verbindet, und bei der insbesondere die Spielfreiheit so weitgehend wie möglich verwirklicht ist. Da die oft hohen Windbelastungen während des Betriebes von der Spiegelanordnung auf die Antriebsteile übertragen werden, wird außerdem verlangt, daß die Antriebseinheit hohe Steifigkeit aufweist.

[0006] Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß Azimutwelle und Elevationswelle je von einem eigenen, spieleinstellbaren, selbsthemmenden, aus Schneckenrad und Schneckenwelle bestehenden Schneckenradsatz angetrieben wird, wobei die Schneckenräder koaxial zu der jeweiligen Welle angeordnet sowie fest mit ihr verbunden und die Schneckenwellen jeweils axial verschiebbar und axial arretierbar sind.

[0007] Anstelle der bisher verwendeten Spindel- oder Stirnradantriebe werden nunmehr Schneckenradsätze verwendet, mit deren Hilfe die oben erwähnten Anforderungen auf besonders günstige Weise erfüllbar sind. Selbsthemmung und Spieleinstellbarkeit sind in der die Spiegelanordnung unmittelbar antreibenden Getriebeendstufe vereinigt. Die Selbsthemmung kann leicht dadurch verwirklicht werden, daß die Steigung des umlaufenden Zahns der Schneckenwelle entsprechend gewählt wird. Die Spieleinstellbarkeit steht in engem Zusammenhang mit der axialen Verschiebbarkeit, wie weiter unten noch deutlicher wird. Die Arretierbarkeit kann beispielsweise dadurch gewährleistet werden, daß zu beiden Seiten des Teils der Schneckenwelle, der den umlaufenden Zahn trägt, Distanzscheiben auf die Wellenachse auflegbar sind. So kann die Schneckenwelle in die jeweils optimale axiale Stellung gebracht und dort arretiert werden. Diese axiale Stellung entspricht gleichzeitig derjenigen mit dem geringstmöglichen Spiel.

[0008] Die Spieleinstellbarkeit kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß die beiden Zahnflanken einer jeden Schneckenwelle unterschiedliche Steigungen aufweisen, so daß ein längs der Schneckenwelle hinsichtlich seiner Dicke kontinuierlich veränderliches Zahnprofil resultiert. Die Zahndicke nimmt dann längs der Schneckenwelle in Art eines Keils zu bzw. ab. Die Zahnprofile der Schneckenräder müssen selbstverständlich an die Ausbildung der Schneckenwellen angepaßt sein. Das Ausmaß des noch zulässigen Spiels wird dann nach dem Zusammenbau der Antriebseinheit dadurch eingestellt, daß die Schneckenwelle axial mehr oder weniger in Richtung abnehmender Zahndicke verschoben und arretiert wird. Die Spieleinstellbarkeit ist somit gegeben, ohne daß die Achsen der drehenden Getriebeteile gegeneinander bewegt werden müßten.

[0009] Es ist anzustreben, den axialen Lagerabstand der Schnekkenwellen möglichst klein zu halten, bei größtmöglichem Schneckenwellen-Durchmesser. Dadurch wird die Durchbiegung der Schneckenwelle gering gehalten und die Steifigkeit des Gesamtantriebes entsprechend erhöht.

[0010] Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie den nachfolgenden Ausführungsbeispielen zu entnehmen.

[0011] Anhand der Abbildungen soll die Erfindung im folgenden näher erläutert werden.

[0012] Es zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 eine Antriebseinheit mit drehbar gelagerter Azimutwelle,

Fig. 2 eine andere Ansicht der Antriebseinheit gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Antriebseinheit mit feststehender Azimutwelle,

Fig. 4 eine andere Ansicht der Antriebseinheit gemäß Fig. 3,

Fig. 5 eine weitere Antriebseinheit mit feststehender Azimutwelle und besonders kompakter Bauweise.

[0013] In Fig. 1 ist in Seitenansicht im Teilschnitt eine Antriebseinheit gemäß der Erfindung dargestellt. Eine der Azimutachse zugeordnete Azimutwelle 1 ist mittels Kegelrollenlagern 12 drehbar in einem fest mit der tragenden Säule verbundenen, ersten Gehäuse 8 gelagert. Koaxial mit der Azimutwelle 1 verbunden, beispielsweise durch Preßpassung, ist ein Schneckenrad 3, welches wiederum mit einer Schneckenwelle 4 im Eingriff steht. Letztere ist drehbar in dem Gehäuse 8 gelagert. Auf die Azimutwelle 1 ist ein zweites Gehäuse 9 aufgeflanscht, das eine senkrecht zur Azimutwelle orientierte, der Elevationsachse zugeordnete Elevationswelle 2 aufnimmt. Diese ist ebenfalls mittels Kegelrollenlagern 13 drehbar in ihrem Gehäuse gelagert. Mit der Elevationswelle 2 kraftschlüssig verbunden ist ein weiteres Schneckenrad 5, welches sich wiederum mit einer ihm zugeordneten Schneckenwelle 6 im Eingriff befindet. Letztere ist in dem Gehäuse 9 drehbar gelagert. Die Schneckenräder 3 und 5 sowie die Schneckenwellen 4 bzw. 6 bilden jeweils die Schneckenradsätze, die gemäß der Erfindung als Getriebeendstufen zum Antrieb der Azimut- bzw. Elevationswelle dienen.

[0014] Fig. 2 zeigt eine axial um 90⁰ gedrehte Ansicht der Antriebseinheit gemäß Fig. 1. Dabei ist ein bezüglich der Schneckenwelle 4 axialer Schnitt durch den diese Schneckenwelle umgebenden Gehäuseteil gelegt. Die Schneckenwelle 4 wird unmittelbar von einem Kegelradsatz 14 angetrieben, welcher wiederum mit einem Planetengetriebe 15 verbunden ist. Das Planetengetriebe 15, welches von einem Motor 16 angetrieben wird, stellt zusammen mit dem Kegelradsatz 14 ein Reduziergetriebe 10 dar. Die Schneckenwelle 4 ist in dem letzten Kegelrad axial gleitbar, wird aber bei Drehbewegungen durch eine in eine Nut des Kegelrades eingreifende Feder 17 mitgenommen. An ihrem einen Ende ist die Schneckenwelle 4 weiterhin in einem Rollenlager 18 axial gleitend geführt. An ihrem anderen Ende sind auf die Schneckenwelle zwei Kegelradlager 19, 20 aufgesetzt. Diese werden durch eine Nase 21 sowie eine auf das Wellenende aufgeschraubte Mutter 22 in definiertem Abstand gehalten. Die Nase 21 ist Teil einer mit Außengewinde 23 versehenen Hülse 24. Das Außengewinde 23 befindet sich im Eingriff mit einer Mutter 25, die von einer Kappe 26 in Position gehalten wird. Vor dem Aufsetzen der Kappe 26 kann durch Verdrehen der Mutter 25 die Schneckenwelle 4 axial verschoben werden. Die Hülse 24 sowie die Schneckenwelle selbst führen dabei keine Drehbewegungen aus, da eine solche durch einen von oben in eine auf der Außenseite der Hülse angebrachte Nut 27 eingreifenden Stift verhindert wird.

[0015] In Fig. 3 ist eine weitere Antriebseinheit gemäß der Erfindung dargestellt, die sich von der Ausführungsform der Fig. 1 und 2 zunächst dadurch unterscheidet, daß die Azimutwelle 1 selbst fest mit der tragenden Säule verbunden ist. Über Kegelrollenlager 28, 29 ist ein Gehäuse 7 drehbar auf der Azimutwelle 1 gelagert. Das Gehäuse 7 enthält einmal die der Azimutwelle zugeordnete Schneckenwelle 4, die sich im Eingriff mit dem Schneckenrad 3 befindet, welches wiederum fest und in koaxialer Anordnung mit der Azimutwelle verbunden ist. Im Gehäuse 7 sind weiterhin um gehäusefeste Achsen drehbar gelagert die Elevationsachse 2 mit dem zugeordneten Schneckenrad 5 sowie die im Eingriff mit diesem Schneckenrad befindliche Schneckenwelle 6. In eine zentrale Bohrung in der Azimutwelle 1 ist ein fest mit dem drehbaren Gehäuse 7 verbundener Winkelgeber 30 eingesenkt. Die Winkellage wird von einer dafür vorgesehenen Vorrichtung 31 registriert und weiter verarbeitet.

[0016] Der Vorteil der Ausführungsform gemäß Fig. 3 liegt vor allem darin, daß die zum Betreiben der Schneckenwellen 4 und 6 vorgesehenen Motoren und Reduziergetriebe nunmehr sämtlich die Azimutdrehung mitmachen. Dies ist bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 und 2 nicht der Fall, da dort die der Azimutwelle zugeordnete Schneckenwelle gegenüber der feststehenden Säule eine unveränderliche Orientierung beibehält. Die mit dieser Schneckenwelle verbundenen Antriebsaggregate können dabei unter Umständen der drehenden Spiegelanordnung im Wege sein. Bei der räumlichen Gestaltung der Spiegelanordnung muß dies berücksichtigt werden. Dieser Nachteil ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ausgeschaltet.

[0017] Fig. 4 gibt eine um 90° gedrehte Darstellung der Antriebseinheit gemäß Fig. 3, und zwar im axialen Teilschnitt. Die der Elevationswelle zugeordnete Schneckenwelle 6 ist in Kegelrollenlagern 32, 33 drehbar gelagert. Die Schneckenwelle wird direkt von einem Reduziergetriebe 11 angetrieben, das hier ein Planetengetriebe ist. In diesem Reduziergetriebe ist die Schneckenwelle axial gleitbar gelagert. Die Kegelrollenlager 32, 33 können Axialbewegungen der Schneckenwelle mitmachen. Deren axiale Position wird durch zwei Distanzscheibenpakete 34, 35 bestimmt. Die Schneckenwelle 6 kann unter Austausch von Distanzscheiben innerhalb eines gewissen Rahmens axial verschoben und schließlich durch Aufsetzen einer Kappe 36 arretiert werden.

[0018] In Fig. 5 schließlich ist eine wegen ihrer günstigen räumlichen Anordnung bevorzugte Ausführungsform dargestellt. Um die fest mit der tragenden Säule verbundene Azimutwelle 1 ist ein Gehäuse 7a, 7b drehbar gelagert, und zwar mit Hilfe von Kegelrollenlagern 37, 38. Die der Azimutwelle 1 zugeordnete Schneckenwelle 4 sowie die der Elevationswelle 2 zugeordnete Schneckenwelle 6 sind zueinander parallel in einem unteren Gehäusebereich 7a drehbar gelagert. Die Elevationswelle 2 selbst liegt drehbar in einem oberen Gehäusebereich 7b. Das auf die Elevationswelle 2 aufgepaßte Schnekkenrad 5 ist mit der zugeordneten Schneckenwelle 6 in Eingriff. Die Lager, in denen sich die Elevationswelle 2 drehen kann, sind nur angedeutet.

[0019] Die Antriebseinheit der Fig. 5 stellt eine äußerst kompakte und leicht montierbare Bauform dar. Auch hier ergibt sich der mit der feststehenden Azimutwelle verbundene Vorteil, daß die den beiden Schneckenwellen zugeordneten Antriebsaggregate die azimutale Drehbewegung mitmachen.

[0020] Insgesamt bietet die Erfindung die Möglichkeit einer präzisen Spieleinstellung in Verbindung mit einfacher Nachstellbarkeit des Umkehrspieles nach längerer Betriebsdauer, wobei nicht die Notwendigkeit einer Demontage des gesamten Heliostaten besteht. Es können herkömmliche Bauteile verwendet werden, und insbesondere werden keine zusätzlichen, hochpräzisen Bauteile für die vorgeschalteten Reduziergetriebe benötigt. Als Reduziergetriebe können beliebige Antriebsbausteine verwendet werden, beispielsweise Kegelradgetriebe, Stirnradgetriebe oder Planetengetriebe. Die Antriebseinheit gemäß der Erfindung zeichnet sich durch hohe Funktionstüchtigkeit, günstige Serienfertigung, einfache Wartung sowie hohe Verfügbarkeit und Lebensdauer aus.

Ansprüche

1. Antriebseinheit für einen Heliostaten, der aus einer feststehenden Säule sowie einer auf dieser mittels der Antriebseinheit schwenkbar gelagerten Spiegelanordnung besteht, mit einer der Azimutachse zugeordneten Azimutwelle und einer zu dieser senkrecht orientierten, der Elevationsachse zugeordneten Elevationswelle, dadurch gekennzeichnet, daß Azimutwelle (1) und Elevationswelle (2) je von einem eigenen, spieleinstellbaren, selbsthemmenden, aus Schneckenrad ( 3, 5) und Schneckenwelle (4, 6) bestehenden Schneckenradsatz (3, 4; 5, 6) angetrieben wird, wobei die Schneckenräder koaxial zu der jeweiligen Welle (1, 2) angeordnet sowie fest mit ihr verbunden und die Schneckenwellen jeweils axial verschiebbar und axial arretierbar sind.

2. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Zahnflanken einer jeden Schneckenwelle (4, 6) unterschiedliche Steigungen aufweisen, so daß ein längs der Schneckenwelle hinsichtlich seiner Dicke kontinuierlich veränderliches Zahnprofil resultiert.

3. Antriebseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Schneckenräder (3, 5) mit den Wellen (1, 2) mittels Preßpassung verbunden sind.

4. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Azimutwelle (1) fest mit der Säule verbunden und die beiden Schneckenwellen (4, 6) sowie die Elevationswelle (2) drehbar in einem um die Azimutwelle (1) drehbaren Gehäuse (7) gelagert sind.

5. Antriebseinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Schneckenwellen (4, 6) in einem unteren Gehäusebereich (7a), vorzugsweise in einer Ebene, und die Elevationswelle (2) in einem oberen Gehäusebereich (7b) untergebracht sind.

6. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die der Azimutwelle (1) zugordnete Schneckenwelle (4) drehbar in einem fest mit der Säule verbundenen, ersten Gehäuse (8) gelagert und die Azimutwelle (1) fest mit einem die Elevationswelle (2) sowie den zugehörigen Schneckenradsatz (5, 6) aufnehmenden, zweiten Gehäuse (9) verbunden und drehbar im ersten Gehäuse (8) gelagert ist.

7. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß den Schneckenradsätzen (3, 4; 5, 6) als den Getriebeendstufen jeweils motorgetriebene Reduziergetriebe (10, 11) vorgeschaltet sind.

8. Antriebseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Reduziergetriebe (10, 11) zusammen mit den sie antreibenden Motoren an den die Schneckenwellen jeweils aufnehmenden Gehäuseteilen angeflanscht und die Schneckenwellen (4, 6) in den Reduziergetrieben axial gleitbar sind.

Zeichnung